提出三种求解多模光纤非线性传输方程的误差估计准则—max, sum, ave准则, 将多模误差向量转换为误差标量, 基于对称分步傅里叶的局部误差法实现多模传输自适应步长统一变化.通过仿真高斯脉冲在渐变折射率多模光纤中的传输, 验证了定变步长方法在不同准则下局部误差与全局误差的性能.实验结果表明三种准则的变步长算法都具有收敛性, 且利用sum准则计算局部误差控制步长变化, 在相同计算量的情况下能得到更高的数值精度, 相同全局误差的情况下计算量相对更少, 对进一步提高多模非线性传输方程的计算效率有参考意义.

针对有限光源带宽条件下光纤布拉格光栅传感网络重叠复用的解调瓶颈, 提出基于峰值匹配分布式估计算法的波长解调方法, 将光纤布拉格光栅传感网络重叠光谱的解调问题转化为函数优化问题, 利用理论光谱与重叠光谱之间的差异构建优化模型, 通过峰值匹配分布式估计算法对该优化模型进行求解得到各光纤布拉格光栅的传感值.分布式估计算法采用高斯混合模型构建描述光纤布拉格光栅传感网络的解空间概率分布, 由概率模型采样产生新的种群个体, 并引入峰值匹配算子消除光纤布拉格光栅峰值错配, 通过反复进化最终得到最优解.采用该方法对不同规模数量的光纤布拉格光栅传感网络进行解调实验, 结果表明该方法在大规模光纤布拉格光栅光谱完全重叠的情况下, 平均误差可控制在10 pm以内; 与现有其他解调技术相比, 其具有更高的解调精度, 能够解决光纤布拉格光栅传感网络光谱在部分重叠甚至完全重叠情况下的波长解调问题, 为提升光纤布拉格光栅传感网络复用数量提供了新的解调途径.

提出一种静态场景下的基于帧差光流的随机采样均值漂移聚类检测算法.该方法首先通过隔帧差分法提取运动目标区域, 并对运动区域进行光流计算, 采用自适应光流阈值分割法准确提取出运动目标; 然后运用连通区域标记算法对运动区域进行初步划分, 得到若干个连通域子集特征向量样本点, 通过提出的随机采样策略来确定对子集空间中样本点的抽样次数; 最后利用均值漂移算法对每个子集中的样本点进行若干次抽样计算并分析聚类收敛结果是否相同, 从而完成对连通域标记结果的检验.该策略通过减少对标记结果所有样本点的采样次数, 提高了目标的检测速度和精度,在不同红外测试场景中的实验结果表明: 与传统红外多目标检测算法相比, 该方法具有良好的局部抗遮挡性、准确性和实时性, 并且检测率能达到95.27%, 每帧处理时间达到39.12 ms, 满足实时处理需求.

针对光强传输方程法在部分相干光场相位恢复过程中, 由于CCD采集频率与LED发光频率不同步导致恢复的相位出现黑白相间的条纹, 以及机械移动造成采集角度的偏差所导致的相位结果错误等问题, 提出了配准递进补偿算法.首先, 对所采集的具有一定角度偏差的三幅强度图进行角点检测和互相关匹配, 并去除错误点对从而得到变换矩阵进行图像变换以纠正原有的偏差.同时, 由于照明光波的缓慢动态变化与其低频分量相关, 在新的配准图像中进行初次补偿以改善照明频闪效应.然后使用光强传输方程求解得到样品的初始相位.为了解决初始相位边缘出现的光晕, 再次对恢复的相位进行补偿以突出样品的关键信息.搭建了真实光路系统进行实验验证, 结果表明所提方法在纠正角度偏差的同时改善了频闪效应.微透镜阵列实验中, 恢复的结果与实际结果相对误差为1.7%, 证明了所提算法的正确性与有效性.

针对低光度条件下长曝光图像与短曝光图像的融合问题, 提出了一种基于块匹配的图像融合方法, 将低光度图像对融合成为一张更好的图像.首先提出基于金字塔多尺度模型的双向鬼影检测算法, 该算法降低了噪声和欠曝对鬼影检测的影响, 用于准确检测低光度场景中图像对之间由于物体运动造成的不一致区域; 随后利用块匹配算法重建鬼影区域; 最后运用改善边缘特性的泊松融合算法提取两次曝光图像中的信息生成结果图像.实验结果表明, 该方法有效地保留了短曝光图像的边缘锐度, 并保持了长曝光图像的色彩、亮度和细节.

针对头戴式虚拟现实应用中数据带宽传输过高的问题, 设计了一种基于人眼视觉特性的硅基OLED微显示器系统.研究人眼视觉系统, 采用纹理金字塔的Foveation滤波算法模拟人眼的动态凝视效果, 在输出图像上实现多层级纹理金字塔的多分辨图像融合; 在FPGA平台上利用Verilog HDL语言完成了各模块的结构设计, 实现了从视频信号解码到驱动1 600×1 600分辨率的全彩硅基OLED微显示器的整个过程.实验结果表明, 基于人眼视觉特性的多分辨图像融合压缩算法, 具有良好的数据压缩比, 可有效减小硅基OLED微显示器的数据传输带宽, 且符合人的视觉直观感受, 渲染质量良好, 能够满足虚拟现实嵌入式环境下对硅基OELD微显示器实时渲染数据传输需求.

数字微镜阵列扫描曝光图形在某些方向的边缘存在约一个像素的锯齿, 对此设计自由曲面光学透镜, 将其安装在距离数字微镜阵列窗口玻璃1 mm附近, 使微镜阵列成像线性错位, 在保持原有线宽和光刻效率的情况下, 平滑曝光图形边缘.理论分析了微镜阵列成像线性错位形式及其表达式.根据物像映射原理, 用Matlab软件计算出自由曲面光学透镜面形初始数据, 通过Zemax软件优化得到理想透镜模型, 模拟了安装该透镜模型前后曝光图形效果.结果表明：在±2 μm容差范围内, 安装该透镜且曝光总能量为原来的0.9倍时, 曝光图形的横线边缘锯齿由0.14个像素缩小至0~0.01个像素, 斜线边缘锯齿由0.338个像素缩小至0.110~0.125个像素, 且线长变化范围为－0.153~0.05个像素, 线宽变化范围为－0.058~0.153个像素, 变形范围不影响10~30 μm pcb板的制作精度.该方法可同时提高能量利用率, 降低光源成本.

为了提高流速测量精度, 研究OH荧光图像背景抑制的方法.分析识别复杂燃烧流场中存在的背景干扰, 构建染噪的数值仿真模型; 基于干扰图像和OH标记线信号图像的特性, 采用空间变换思想, 提出了自适应差分法消除发动机燃烧室剧烈反应区域的燃烧OH荧光干扰; 利用空域上信号与背景残余的差别, 采用空间滤波法优化背景抑制结果, 最后对仿真模型和实验图片对比, 验证了该方法的有效性, 处理前后峰值信噪比提高了11.83 dB, 信噪比提高了8.66 dB, 速度计算误差改善到了1.2%.该方法可有效的抑制背景噪声, 提高测速精度, 满足激光诊断系统对测量精度的要求.

针对增强现实系统中的标定问题, 提出了一种光学透射式平视显示系统标定方法.分析系统中各组成部分之间的关系, 定义不同的坐标系.由于在标定时相机与光学显示系统会带来一定程度上的虚拟图像畸变, 因此在建立模型时, 将相机与光学显示部分的畸变考虑进去, 并进行校正.利用非线性回归估计方法对模型求解, 计算系统标定参数.这种结合光学显示图像畸变与相机成像畸变校正的标定方式, 提高了光学透射式平视显示系统的标定精度.实验结果表明, 本文标定算法的平均相对误差小于0.42%, 基本满足系统对标定精度的要求.

针对齿轮视觉测量过程中因齿廓表面受到污染导致齿廓图像边缘出现光学失真, 从而影响齿廓偏差、齿距偏差测量精度问题, 提出一种基于视觉测量的齿廓图像边缘失真迭代逼近——临近度判别算法(IAPD).建立渐开线齿廓图像边缘过渡带内像素点法向偏距与像素点极径的映射关系, 将复杂的二维图像边缘信号转化为容易处理的一维信号; 利用小波去噪算法对信号进行处理, 提取齿廓边缘的失真特征; 采用变阈值迭代逼近算法分离出齿廓倾斜偏差; 采用K-邻近度分类方法自动判别齿廓图像边缘失真的起止位置, 为齿距、齿廓偏差测量时进行齿廓图像边缘失真修正提供定位依据.为验证本算法的可靠性, 根据相邻同名齿廓真实边缘的相似性, 对失真齿廓和无失真齿廓图像提取亚像素边缘, 并进行相似性比较, 实现基于相似性比较的齿廓图像边缘失真判别算法, 以此对IAPD算法的失真区域判别精度进行校验.实验结果表明：本文提出的齿廓图像边缘失真判别算法能够快速自动识别图像失真区域, 失真区域边界的径向定位精度可以达到2.5个像素(50 μm), 能够满足图像边缘失真修正补偿的定位精度要求, 可以实现齿轮测量的实时计算.

为了准确、快速地检测和预测甲烷气体的浓度, 设计了基于红外差分吸收法的甲烷浓度检测系统.为了降低系统部件不稳定带来的影响, 检测系统采用双气室结构, 气室的输入和输出接口处通过渐变折射率透镜连接到传输光纤, 以降低光强的损耗.系统对甲烷检测结果的平均误差为0.007 5.基于粒子群优化的误差反向传播神经网络算法构建了甲烷预测模型, 以浓度在0.2%~2.0%范围内的甲烷气体为研究对象.在样本训练过程中, 预测模型的精度达到10－4, 实际输出值与期望值线性回归的相关系数为0.998 8, 最大相对标准偏差为0.248%.实验结果表明, 在甲烷浓度预测中, 相对于误差反向传播神经网络预测模型, 粒子群优化误差反向传播神经网络的预测性能更优.

由于投影仪与相机普遍存在的伽马非线性效应, 变形条纹图直流项与背景图光强分布并不相等, 会引入测量误差.本文在传统2+1相移算法中引入背景校正, 以所捕获的背景图光强分布为模板, 采用最小二乘原理逼近变形条纹图的直流项, 能有效提高测量精度.所提2+1相移算法中两帧相移正弦光栅的相移量不再固定为π/2, 可任意, 算法更灵活.实验结果验证了该算法的有效性和实用性.

以通过氢键形成分子单元的异硫氰酸胍为掺杂剂, 采用一锅水热法制备了具有明亮蓝色荧光的S、N共掺杂碳点.结构表征显示, N和S元素能够通过杂环原子和碳点表面官能团的形式充分掺杂.该碳点溶液的光致发光最佳激发波长为395 nm, 对应发射谱从“激发独立”变为“激发依赖”.在碳点的形成过程中, 出现了一些分子级荧光团, 随着碳化过程以表面官能团的形式键合在碳点的表面, 这为该碳点作为银离子检测的传感探针提供了可能.碳点溶液荧光强度和银离子浓度在不同浓度范围内成线性关系, 基团－S－C≡N能够促进银离子对碳点溶液荧光的猝灭效应.该碳点溶液制备方法简单、性能优异, 为高效检测工业污染物中银离子的应用提供了一种可能的途径.

采用光谱法研究了Fe3+/Fe2+离子对CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS磁性荧光复合纳米粒子(MFNPs)与牛血清白蛋白(BSA)相互作用的影响.研究结果表明, CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS MFNPs对BSA具有荧光猝灭作用, 在有Fe3+/Fe2+离子存在时, 猝灭作用进一步加强.对猝灭曲线进行分析, 确定Fe3+/Fe2+离子对CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS MFNPs 的猝灭为生成复合物引起的静态猝灭, 对BSA的猝灭是由碰撞引起的动态猝灭, 在有Fe3+/Fe2+离子存在时, 一方面, CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS MFNPs通过静电作用与BSA结合形成CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS MFNPs-BSA复合物, BSA分子结构发生改变, BSA荧光强度降低; 另一方面, Fe3+/Fe2+离子以动态猝灭的方式作用于BSA, Fe3+/Fe2+离子与CS-Fe3O4@ZnS∶Mn/ZnS MFNPs共同作用于 BSA, BSA分子结构遭到进一步破坏, 荧光猝灭更剧烈.紫外辐射条件下, 相互作用进一步加强.

采用磁控溅射法以石墨为靶材在玻璃衬底上沉积了类金刚石(DLC)薄膜, 用原子力显微镜表征了不同氮气流量条件下生长薄膜的形貌, 用拉曼光谱仪、X射线光电子能谱仪和分光光度计分析了样品的微结构、元素的价态和透光性能.结果表明：沉积的薄膜均为非晶结构.通入2 sccm氮气时, 薄膜的光学透过率大大提高, 此时DLC薄膜内的氮元素含量为5.88%,sp3键百分比为64.65%,ID/IG值为1.81; 掺氮DLC薄膜在可见光范围内光学透过率达到95.69%.随着氮气流量增加, DLC薄膜光学透过率呈现出下降的趋势.退火2 h后不掺氮DLC薄膜光学透过率呈小幅度下降, 而掺氮DLC薄膜的光学透过率几乎没有变化.

设计并制作了硅基二氧化硅波导阵列相控芯片, 该芯片由分束单元、相位调制单元、输出波导阵列三部分构成, 分束单元采用三级1×2的光分束器级联而成, 相位调制单元采用热光调制方式, 输出部分包含8根密集阵列波导.8根波导输出的光在远场发生干涉, 形成扫描光束, 加电后通过二氧化硅热光效应, 折射率变化0.027%(0.000 4)时, 扫描光束偏转5.5°.该波导相控阵列采用2.0%超高折射率差的硅基二氧化硅波导为材料, 经等离子体增强化学气相沉积法进行材料生长及退火, 再经电感耦合等离子体干法刻蚀技术进行刻蚀, 最后切割抛光制作而成.测试结果表明, 静态下该芯片8条输出阵列波导形成清晰干涉光斑, 在电压达到130 V时, 热调制相位后, 光斑移动5.5°.

使用有限时域差分法, 模拟计算了天线边缘的凹凸缺陷对硅基底上的条形天线的响应特性及电场分布的影响.计算结果表明: 两种类型的缺陷都将改变缺陷附近的电场方向和电场强度, 凸起缺陷可以使其附近的电场增强, 而凹陷缺陷则相反, 且缺陷越靠近天线末端, 对电场的影响越强.缺陷大小和位置不同, 对电场增强面积的影响不同.凹陷缺陷位于天线末端时, 随着缺陷的增大, 电场强度增强2倍的区域单调减小, 增强4倍的区域面积单调增加.当缺陷为20 nm时, 电场强度增强2倍的区域面积降低约3%, 增强4倍的区域面积增加约4%.与凹陷缺陷不同凸起缺陷没有简单单调性, 缺陷位置不同, 影响也有所区别, 但是控制缺陷在10 nm以内可以显著降低影响.该结果为光学天线加工的精度要求提供了理论依据.

提出一种谐振腔方案用于测量法布里-珀罗滤波器的光传输时延.将法布里-珀罗滤波器置于谐振腔中, 根据谐振腔长与谐振频率的关系, 将滤波器的传输延时量转化为谐振基频的减小量进行测量.实验测得谐振基频的变化量为0.167 MHz, 对应谐振腔长的变化量为3.570 m.除去器件的尾纤等包装长度, 滤波器的传输延时为1.542 m.该方案不依赖于镜面反射系数、精细度等滤波器参数, 可顺利测得光信号经过高精细度法布里-珀罗滤波器的传输时延, 甚至可实现很小尺寸的滤波器时延测量.通过谱分析法测量得到延时量为1.581 m, 验证了实验结果的正确性.

采用CsN3: Bphen/Al/HAT-CN为电荷生成单元, 制备了光谱高度稳定的高效暖白光有机电致发光器件.正面出射时, 暖白光器件的最大电流效率和功率效率分别为45.4 cd/A、28.5 lm/W; 当工作电流密度从10 mA/cm2增加到30 mA/cm2时, 器件色坐标几乎不变; 相对色温由3 135 K变至3 147 K, 均在暖白光范围内, 这可有效避免照明器件的蓝光伤害.当观察角度由0增加到60°时, 器件光谱峰值波长没有明显移动, 色坐标变化为(0.02, 0.03), 且光强分布接近理想的朗伯特体, 呈现出良好的角度特性.

提出了一种中红外波段下探究表面等离子体在石墨烯与硅光栅混合结构中传输安德森局域的方法.在石墨烯片下设计一维随机硅光栅结构来实现石墨烯表面等离子体随机硅光栅. 通过调节石墨烯的费米能级来改变由硅光栅的无序引起的石墨烯表面等离子体安德森局域的共振波长. 当费米能级是0.6 eV时, 局域石墨烯表面等离子体在随机硅光栅结构中的场强强度比在周期性硅光栅结构中大70倍. 该结构有望应用于可调集成滤波器, 宽带调制器以及等离子体传感器等.

针对折射率调制的表面等离子体全息显示方案, 采用严格耦合波计算方法, 仿真了变折射率薄膜正弦光栅结构参数与衍射效率的关系.结果表明, 银作为表面等离子体激发材料时, 0.2 μm为光栅最优厚度, 在此基础上, 一级次光衍射效率与折射率差值、周期呈正比增长关系.对折射率范围进行了拓展, 确定了折射率调制范围在1.34~1.8、周期为0.9 μm时, 对应的衍射效率可达33%以上.研究结果对于优化设计表面等离子体全息显示结构具有参考意义.

基于Brańczyk的理论工作, 考虑干涉滤波片的谱函数对干涉结果的影响, 推导出更加普适的Hong-Ou-Mandel干涉符合概率公式, 从而增加干涉实验的可操控性.用带宽不同的干涉滤波片系统研究了Hong-Ou-Mandel干涉现象, 得到与理论预测相吻合的实验结果.实验数据和理论仿真均显示, 通过使用不同带宽的干涉滤波片可以灵活调节干涉曲线, 以获得较高的平台符合计数率和干涉可见度.实验中测得的干涉可见度均高于97%, 最高达到99.9%, 验证了实验方案的可靠性.研究结果对于同类的量子干涉实验也具有参考价值.

建立螺旋凹槽结构模型, 具有不同自旋角动量的光束入射到该结构后激发表面等离激元, 螺旋凹槽结构的螺旋性与光子自旋角动量耦合, 使得不同自旋偏振光激发的表面等离激元具有不同的强度分布.通过螺旋凹槽激发的表面等离激元的强度分布获得入射光的自旋角动量.利用有限元方法计算了左旋偏振光与右旋偏振光激发的表面等离激元在螺旋凹槽中心的光场强度比, 最大消光比达到168, 实现对光子的自旋角动量的检测.在数值仿真中, 分析了不同入射光波长的消光比, 入射光波长在600~740 nm范围内消光比高于50, 其中入射光波长为670 nm时的检测效果最佳; 此外, 研究螺旋凹槽结构参量对消光比的影响, 当凹槽宽度为200 nm,凹槽深度为70 nm, 匝数为2时, 消光比最大, 螺旋凹槽结构检测光子自旋角动量的能力最强.该研究可为集成光学中光子自旋角动量的检测提供一种新途径.

针对遥感卫星高频次、高时效和高精度定标的技术需求, 利用布设在敦煌辐射校正场自动化定标系统, 对SNPP VIIRS遥感器的可见光到短波红外波段开展了高频次自动化绝对辐射定标试验, 详细描述了自动化定标的原理和方法, 明确了定标流程.针对长时间跨度中, 地表光谱反射率光谱形状的变化, 建立了参考反射率数据库, 以解决通道反射率与参考反射率光谱形状不匹配问题.在2018年5月～11月, 对SNPP VIIRS共完成了13次有效的自动化定标, 并与SNPP VIIRS星上观测的表观反射率进行了比对验证.结果表明, 场地自动化定标得到的表观反射率与卫星观测的表观反射率相对偏差小于5%, 均方根小于3.2%, 表明场地自动化定标结果与星上定标结果具有较高的一致性和稳定性, 可以用于高频次在轨辐射定标.

采用355 nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置, 使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量, 定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737 nm波段的探测效率, 分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响, 比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素, 修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率, 为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.

研制了自动多波段太阳辐射计, 仪器包含8个光谱通道, 覆盖可见-近红外波段.通过二维转台和四象限跟踪组件, 可实现对太阳直射辐照度、天空辐亮度、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时自动测量, 并远程控制和传输数据.为减小温度变化对探测器响应的影响, 对光机头部的八通道主体部分进行了温控设计.结合野外环境的实际情况, 对关键部件八通道主体和散热外壳进行了热力学有限元分析.分析结果表明, 主要光学元器件的安装结构满足实际温度变化产生的零件形变需求; 增大外壳的散热面积可以有效提高八通道主体的温控效率, 增强野外环境适应性.仪器在敦煌辐射校正场长期工作, 经受住了风沙、雨水和温差等的测试, 其温控系统的温度维持在25±0.2℃, 表现出良好的稳定性, 验证了温控设计的可靠性.